Oxymètre de pouls

En partant de zéro, il vous faudra choisir la structure générale de ce que vous voulez faire, et au minimum :

• Choisir une LED rouge vers 660 nm et une LED infrarouge vers 940n nm,
• Concevoir le circuit de pilotage (driver) de manière à choisir la puissance lumineuse envoyée, car il faudra s'adapter à un environnement variable,
• Choisir au minimum une photodiode, et concevoir un ampli de lecture analogique suivi d'un convertisseur analogique-numérique pour obtenir des données numériques,
• Concevoir la manière d'afficher le résultat, et donc choisir un afficheur,
• Optionnellement transmettre les données via un réseau sans-fil, donc choisir son couple émetteur-récepteur,
• Choisir un microcontrôleur qui pilotera les LEDs et lira les données issues de la photodiode, extraira le pouls cardiaque, calculera la valeur SpO2 avec un algorithme ad-hoc, puis l'affichera,
• Sans oublier la batterie et sa gestion, car les variations de tension peuvent induire des variations dans les mesures.

Et comme si ça ne suffisait pas, il vous faudra calibrer/vérifier le fonctionnement de votre oxymètre de pouls maison par rapport à du matériel fiable et connu... ce qui n'est généralement pas facile à obtenir à moins de travailler dans un hôpital.

Beaucoup de travail en perspective, mais vous allez voir que les vendeurs de composants se décarcassent pour vous faciliter la tâche afin de vendre leur matériel.

On trouvera deux sortes de propositions :

• Les circuits sans LED et photodiodes, que l'on appelle AFE pour Analog Front-End, vendus par les constructeurs qui ne font que des circuits intégrés et pas d'assemblage.
• Les circuits totalement intégrés, LED et électronique de pilotage, qui fourniront des données numériques brutes qui seront traitées par le microcontrôleur de votre choix. Ces circuits sont très pratiques car ils vous évitent d'assembler des composants et sont vraiment miniatures.

Mais ne rêvez pas : aucune puce ne fournit directement le SpO2.

Texas Instruments propose des notes d'applications qui montrent bien l'évolution dans ce domaine. Je me suis penché sur leurs propositions car j'aime bien utiliser leur microcontrôleur MSP430.

TI a commencé avec l'utilisation d'une carte électronique externe pour piloter les LED et la photodiode, et c'est assez compliqué à mettre en œuvre car l'intégration de l'électronique analogique est assez faible voire nulle.

Je vous fais grâce ici de la description de la solution, mais bon, ce n'est pas inintéressant à regarder car on revient vraiment aux basiques.

Comme TI a intégré de la circuiterie analogique avec leurs microcontrôleurs, cela a nettement simplifié le travail en limitant l'électronique externe.

La solution est plus simple, mais il reste encore un peu d'analogique à ajouter. Par contre le microcontrôleur est capable de piloter directement un afficheur LCD.

Et à présent, TI propose des solutions quasiment intégrées, sauf qu'ils ne vendent pas les LED, uniquement un AFE très souple et entièrement programmable :

Et si vous deviez aller plus loin, autant commencer par la page d'accueil :

Analog Devices ayant racheté Maxim Integrated qui fut un pourvoyeur important de puces pour les oxymètres de pouls, l'offre est devenue pléthorique et complexe, mais heureusement rassemblée dans leur page d'accueil sur le sujet :

On y retrouve les membres des familles de Maxim et d'Analog Devices, ça se voit bien avec le nom des composants.

Les cartes d'évaluation (evaluation boards) et les conceptions de référence (reference designs) sont certainement un moyen commode de tester ces puces sans avoir à développer soi-même toute l'électronique et les algorithmes à partir des datasheets des composants.

Analog Devices a le bon goût de proposer des guides introductifs expliquant par le menu comment faire une mesure SpO2, l'origine des formules et algorithmes à appliquer, en particulier les histoires de calibration peu évidentes à comprendre.

Le second article met en avant les avantages de leur dernière génération de puce. Il décrit aussi l'amélioration que pourrait apporter l'utilisation conjointe du capteur SpO2 habituel associé à un accéléromètre pour compenser les problèmes liés aux tremblements.

Je me suis d'abord intéressé au MAX30102 qui contient tout ce qu'il faut pour obtenir les données brutes : une LED rouge, une LED infrarouge, les photodétecteurs, l'électronique de pilotage permettant en plus d'éliminer les effets de la lumière ambiante (dans une certaine mesure) ainsi que le 50/60 Hz.

Vu l'intégration, vous comprenez immédiatement qu'on sera forcément en mode réflectif.

Apparemment, Analog Devices ne semble plus promouvoir le MAX30102, mais le MAX30101 fait aussi bien l'affaire, il possède une LED verte en plus. Et il faudrait le comparer à d'autres produits comme le MAXM86161 si vous deviez vous lancer dans cette aventure.

Renesas, fusion d'Hitachi et de NEC ─du moins la section électronique, propose une page web pour les produits relatifs à la santé. Il n'y a qu'un seul composant, l'OB1203, mais non des moindres :

L'OB1203 provient d'Integrated Device Technology que Renesas a racheté en 2019. L'OB1203 intègre les LEDs, photodiode et l'électronique de conditionnement, tout ce qu'il faut pour réaliser simplement un oxymètre de pouls.

La documentation est fournie :

L'algorithme est remarquablement détaillé. Même le code est mis à disposition.

Microchip vend du microcontrôleur PIC, et propose un reference design pour faire un oxymètre de pouls :

Ce n'est pas une solution totalement intégrée, il faudra ajouter les composants autour :

Digikey a fait la promotion de la solution Microchip, en oubliant les concurrents, mais bon, c'est en français, au moins cela explique les bases (comme je l'ai fait sur mon site) :

NXP, anciennement Philips, rachète Freescale en 2015. En 2012, Freescale utilisait son microcontrôleur spécialisé Kinetis K53 pour faire un oxymètre de pouls, et on le retrouve encore sur le site d'NXP :

Mais rien n'est intégré côté électronique, il faut l'ajouter autour du microcontrôleur.

Trusignal microelectronics propose un AFE, autrement dit une puce pour piloter LED et photodiodes.

Leur site est mal fait, et j'ai eu du mal à trouver cette vieille datasheet du TS9514.

Osram est un fabricant de puces optiques, surtout dans le domaine des LEDs, et il parait normal qu'il propose un produit adapté à l'oxymétrie de pouls, surtout que même ceux qui intègrent LED, photodiode et microcontrôleurs doivent souvent acheter les LEDs, même si ce sont des fabricants de circuits intégrés silicium.

Ils ont une ligne de produits dite BIOFY, qui intègre LEDs et photodiodes, par exemple :

Cette fois, vous avez tous les composants optiques, mais aucune électronique pour les piloter. Osram propose pas mal de variantes : SFH 7050, 7051, 7060, 7070, 7072, 7074. A vous de choisir ce qu'il vous faut, et l'AFE qui ira avec.

• Le taïwanais Eikon Healthcare semble avoir proposé des modules par le passé, mais c'est assez introuvable.

De plus, vous trouverez pas mal de modules utilisant une des puces des fabricants originaux, parfois commode car le travail est prémâché pour les makers. Cherchez chez Farnell, RS, Digikey, Mouser, Sparkfun/Elektor, Sunrom, Smart prototyping, ...

Vous trouverez également des sites qui vous décrivent comment connecter ce genre de cartes à une Arduino ou équivalent, ce que j'ai plus ou moins fait.